反物質一克價值62.5萬億美元,在宇宙中到底是種什麼物質呢?

天空之城 2022/09/06 檢舉 我要評論

世界上最昂貴的東西

危險與破壞性并存,只要一丁點就能毀滅世界,用它制造的推進器可以完成質的飛躍。

湮滅和大爆炸,這便是 反物質在大多數人心目中的樣子,或者說在早期因為各種各樣的傳播讓反物質一度封神。

反物質確實蘊含著極大的能量,但也沒有我們所認為的那樣過分夸張。

相比之下,它的價格才是真正令人感到吃驚的。

目前來講, 一克反物質的價格大約在62.5萬億美元,是迄今為止地球上最昂貴的物質。

反物質之所以如此昂貴的原因在于自然界中幾乎不能「捕捉」到它們,與其他人工制造的物質不同,反物質的捕獲的 目的科學大大增加了它的生產成本。

那麼。什麼是反物質呢?

超環面儀器,用來觀測高質能粒子

現代物理學中,反物質被定義為由「普通」物質中相應粒子的 反粒子組成的物質。

例如粒子加速器每天都會產生微量的反粒子, 人工總產量只有幾納克

另外在宇宙中, 宇宙射線碰撞和某些類型的放射性衰變等自然過程中也會產生反物質。

因此從這一角度來看,反物質并不是一個局限在物質本身的概念。

眾多反粒子中只有一小部分能夠被成功地束縛在實驗中形成反原子,由于 極高的生產成本和處理難度,這使得人類迄今為止 還從來沒有實現出巨觀數量的反物質。

威爾遜云室觀測到的正電子

如今我們都知道構成物質的 基本粒子是質子、電子和中子,這在1930年時,英國物理學家保羅·狄拉克也提出了對電子的類似描述,他預言了電子的反粒子應該是存在的。

當時他寫了一個方程式,并結合了 量子理論狹義相對論來描述電子以相對論速度運動的行為。

后來這個方程讓他獲得了 1933年的諾貝爾獎,狄拉克方程將其解釋為對于每個粒子存在一個對應的反粒子,與該粒子完全匹配,但電荷相反。

英國物理學家保羅·狄拉克

后來人們發現 其他基本原子粒子也有反物質對應物,即 反質子反中子

當一個粒子和它的反物質對應物相遇時,便會發生 湮滅

這意味著兩個粒子會消失,它們的質量會根據愛因斯坦著名的質能等價方程發生變化。

這意味著即使少量的質量也能夠轉化為大量的能量,科學家經過計算分析。

反物質在湮滅過程中產生的能量比 三硝基甲苯這類的化學爆炸威力高出100000000000倍, 比核彈爆炸強出10000倍。

這或許是反物質在人們心中留下的最深刻的印象,當然,反物質還遠不止這些作用。

反物質炸彈毀滅地球不成問題

科學研究證明,可觀測宇宙幾乎完全由普通物質組成,而不是物質和反物質的等量混合。

同樣,從地球上觀察到的大多數物質似乎都是由物質而不是反物質組成。

如果才能存在以 反物質為主的空間區域,那麼沿著物質和反物質區域之間的邊界所產生的湮滅反應帶來的伽馬射線應該是能監測出來的。

正如我們前面所說,宇宙中的高能粒子碰撞不管在哪里,它都會產生反粒子。

撞擊在地球大氣層或太陽系中的任何其他物質的高能宇宙射線,它們產生的粒子射流也會產生微量的反粒子。

超環面儀器的8個部分

不過這些 反粒子存在的時間極短,反粒子會與附近物質接觸由此 立即湮滅

對于天文學家來講,反粒子活動可以反映在宇宙中存在的高能天體時間,主要是相對論噴流與星際介質兩個方面。

歐洲航天局利用伽馬射線天體物理實驗衛星對銀河系中心進行觀察,由此可以解釋圍繞銀河系中心的巨大反物質云的起源。

而觀測結果表明,云是不對成的,X射線雙星的模式互相匹配。

當其主要位于銀河系中心的一側時, 反物質云會獲得恒星殘骸留下的動能。

哈勃望遠鏡展示出來的星云

要想在 人工環境下創造反物質也不是不行,科學家為了創造真正的反物質,他們將目光專注在最簡單的物質形式 中。

氫原子的組成十分簡單,僅有一個電子和一個質子組成,這意味著它的反物質也會同樣簡單。

反氫由反質子和正電子組成,正電子被反質子吸引。

世界上第一個反氫在1995年創造于歐洲核子研究組織,科學家利用超級對撞機通過對反質子和氙原子碰撞制造得出。

阿爾法實驗室用于捕捉反氫的裝置

這種碰撞會產生一個正電子,它會被另一個反質子電吸引,隨即形成反氫。

不過可惜的是, 反物質粒子的存在時間極短,湮滅過程非常迅速,然后釋放能量, 幾百萬分之一秒就會消失不見

正因如此,科學家一直在尋求一個方式來穩定反物質粒子。

保留反粒子的關鍵在于減慢反粒子的速度來防止它們發生碰撞,理論上可以通過一個比 絕對零度高半度的瓶子把反物質裝進去,由此實現 反物質保存

用于生產低能反質子的機器

截止2011年,科學家通過這種方法將 反氫保留了15分鐘

值得一提的是,反物質并不像我們想象中的那樣神秘,它同樣也存在于我們的生活中。

自然界中盡管不存在穩定的反物質,但是會有一些反物質源。例如我們平時所吃的 香蕉,它們也會釋放反物質。

香蕉大約每75分鐘便會釋放一個正電子,這相當于一個電子的反物質。

「放心,香蕉不會爆炸的」

這是因為香蕉中含有少量的 鉀40,作為鉀的同位素,隨著鉀40的衰變,因此香蕉會在這一過程中釋放一個正電子。

另外,人體內也有鉀40, 但為啥人卻不會產生湮滅或者說大量的能量釋放?

事實上人類雖然能夠發射正電子,但是人類自身產出的反物質極少。

如果將人一生中釋放的反物質全部進行湮滅,它所產生的能量都不足以加熱一杯水。

反物質無處不在

反物質在今天之所以如此昂貴,除了制造它十分麻煩外, 要想保存它也非常不易,即使只有那麼微小的一點。

理論上, 制造1克反物質大約需要2500萬千瓦時的能量,而這將花費100億美元。

例如費米實驗室中的粒子加速器,由它所產生的所有反質子加起來只有 15納克,另外在歐洲的一些大型地下粒子研究實驗室就更少了,它們所制造的反物質重量只有1納克。

歐洲核子研究組織的反物質陷阱

根據 歐洲核子研究中心的說法,反物質僅是制造十億分之一克就需要上億克的能量,而制造反物質的花費在每克62.5萬億美元的樣子。

除了科學用途, 反物質在未來的應用前景十分廣闊。

醫療中,反物質可以幫助醫療設備進行醫學成像。

比如正電子發射斷層掃面,簡稱PET。通過β衰變,核素發射正電子導致自身失去多余的正電荷。

反物質能夠應用到醫療中

帶有過剩正電荷的核素可以輕易在回旋加速器中制造,并被廣泛應用在醫療中。

目前醫學界已經證明在治療某些癌癥的手段中, 反物質治療具備一定的醫學潛力

當然還有最激動人心的一部分就是 星際旅行了,通過物質與反物質的碰撞帶來的能量發射,粒子的全部靜止質量將全部轉化為動能。

每個單位質量的能量大約比化學能大 10個數量級,而在今天使用的核能只在3個數量級。

想象中的反物質火箭

科學經過 計算分析表明,如果 反物質火箭能夠制造出來,它的速度能夠達到光速的72%左右。

但并不是所有湮滅能量都能為推進技術帶來改進。

另外在質子和反質子之間的反應中,它們的能量會立即衰變成高能光子。

電子與正電子反映產生的伽馬射線光子很難將其通過引導用于推進,目前的研究仍在理論探索中。

湮滅還是創造,這是反物質將給科學家帶去的思考

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